Etude expérimentale de l'instabilité de digitation visqueuse de fluides rhéofluidifiants modèles

Experimental study of viscous fingering instability of shear thinning fluid models

• Auteur / Autrice : Maxime Chinaud
• Direction : Philippe Tordjeman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 17/12/2010
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Tordjeman, Sébastien Manneville, Anke Lindner, Marc Rabaud, Thomas Delaunay, Jacques Attal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Manneville, Anke Lindner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Gomme de xanthane

Fluides complexes

Mots clés libres

Instabilité de Saffman-Taylor

Fluides complexes

Vélocimétrie par Speckle ultrasonore

Piv

Saffman-Taylor instability

Complex fluids

Ultrasonic Speckle Velocimetry

Piv

Résumé

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des instabilités de Saffman-Taylor de fluides complexes modèles. Ces derniers sont des solutions de Xanthane dont le caractère rhéofluidifiant augmente avec la concentration en polymère. Dans un premier temps, nous avons étudié les propriétés rhéologiques de ces fluides modèles puis nous avons caractérisé leurs propriétés d'écoulement dans une cellule de Hele-Shaw de forte épaisseur. Dans un deuxième temps, nous avons mesuré par PIV (Particles Image Velocimetry) la distribution du champ de vitesse autour des doigts de Saffman-Taylor pour l'ensemble des fluides étudiés. Afin de valider les expériences de PIV, nous avons caractérisé les vitesses de sédimentation des traceurs, par la technique complémentaire de vélocimétrie par Speckle ultrasonore (Ultrasonic Speckle Velocimetry). Nous avons montré expérimentalement que le champ de vitesse pour tous les fluides est irrotationnel et que la forme du doigt peut être modélisé par un écoulement potentiel autour d'un solide de Rankine. Les expériences ont établi que le rayon de courbure à l'extrémité des doigts est l'unique paramètre qui dépend des propriétés rhéologiques des solutions de Xanthane. De plus, ce paramètre conditionne toute l'hydrodynamique autour des doigts de Saffman-Taylor.

This thesis is devoted to the study of Saffman-Taylor instabilities of complex fluids models. These are solutions of xanthan whose shear thinning behavior increases with polymer concentration.Initially, we studied the rheological properties of model fluids and then we characterized the properties of flow in a Hele-Shaw thick. In a second step, we measured by PIV (Particle Image Velocimetry) distribution of the velocity field around the fingers of Saffman-Taylor for all fluids studied. To validate the PIV experiments, we characterized the sedimentation rates of tracers, by the complementary technique of ultrasonic speckle velocimetry (Ultrasonic Speckle Velocimetry).We have shown experimentally that the velocity field for all fluids is irrotational and that the shape of the finger can be modeled by a potential flow around a Rankine solid. Experiments have shown that the radius of curvature at the top of the fingers is the only parameter which depends on the rheological properties of xanthan solutions.In addition, this parameter influences the whole hydrodynamic around Saffman-Taylor fingers.